如何分析解決超聲波焊接中遇到的問題

如何分析解決超聲波焊接中遇到的問題（深度好文章）

      超聲波焊接是一種被廣泛認可和接受的用于連接熱塑性材料的工藝。它提供了許多優(yōu)勢，包括工藝可靠性和可重復性、比其他連接技術更低的能源使用、節(jié)省材料（因為不需要消耗品，例如膠水或機械緊固件）以及節(jié)省勞動力。

         但與任何過程一樣，在某些情況下，出現明顯問題會影響生產。解決和避免這些問題的關鍵是了解它們的原理。成功使用超聲波焊接的加工通常具有兩個主要特征：他們擁有經過充分證明的、經過驗證的焊接工藝；這需要一個專業(yè)的經驗豐富的工程師支持和維護。

超聲波焊接工作過程
在檢查超聲波焊接問題的常見原因之前，讓我們花點時間了解焊接周期本身。在超聲波焊接中，通過振動超聲波焊頭在兩個產品零件的表面施加高頻振動。焊接是由于零件之間的界面處產生的摩擦熱而發(fā)生的。超聲波振動由一系列組件（電源、轉換器、增壓器和焊頭）產生，這些組件將機械振動傳遞給零件。

如圖 1 所示，電源采用標準電線電壓并將其轉換為工作頻率。在以下示例中，我們將使用 20 kHz 的常見超聲波焊接頻率，但焊接可以在 15 至 40 kHz 的范圍內進行以滿足特殊需求。在工作中，電源以指定頻率通過射頻電纜向轉換器發(fā)送電能。轉換器利用壓電陶瓷將電能轉換為電源工作頻率下的機械振動。這種機械振動會根據變幅桿和工具頭的振幅的設計增加或減少。適當的機械振動幅度由應用工程師確定，這取決于零件中使用的熱塑性材料的種類。

待焊接的零件承受機械負載，通常使用氣動驅動器帶動超聲波振動單元。在此壓力載荷下，機械振動傳遞到材料表面之間的界面，從而集中振動以產生分子間和表面摩擦。這種摩擦會產生熱量和隨后的熔化，然后凝固成焊接結合。

超聲波焊接機是超聲波發(fā)生器、換能器系統和程序控制（見圖2）。電源采用標稱 220v 的線路電壓，并將其轉換為高壓、高頻信號。它還包含超聲波換能器和參數控制，以實現所需的焊接結果。氣動或電動伺服操作的執(zhí)行器可作為獨立的臺式裝置或集成到自動化系統中，將超聲波工具移向要連接的零件。它向材料施加所需的壓力，以幫助創(chuàng)造焊接條件。

超聲波振動單元。它通過與零件的直接接觸將振動能量傳遞到產品表面。超聲波振動單元通常由三部分組成：超聲波換能器，其中包含以施加的電源信號的頻率振蕩的壓電陶瓷晶體。當這些晶體振蕩時，它們會物理膨脹和收縮，從而在換能器的輸出側產生可測量的機械運動（稱為峰峰值幅度）。

第二部分是增壓器或變幅桿，在其中間部分帶有一個連接環(huán)，有兩個功能：它作為振動系統的固定安裝點，還用于放大或減少傳感器中產生的輸出運動。

振動系統的第三個也是最后一個組件是超聲波焊頭，活成超聲波模具，它將接觸要連接的零件。超聲波模具將被設計成與塑膠產品的外輪廓相匹配，或者可以在薄膜/紡織品應用中將密封輪廓添加到其接觸面。對于每種應用，焊頭都設計為與換能器組件結合，以達到最佳的振幅輸出水平，從而盡可能高效地進行超聲波焊接。

超聲波常見問題通常發(fā)生在以下四個方面之一：

1.設備：超聲波焊接設備或各種焊接部件不適合應用。
2.工藝參數：使用的參數不適合被連接的零件。
3.材料：零件中使用的材料的類型、成分或物理/機械特性發(fā)生變化。
4.零件設計：零件幾何形狀的某些細節(jié)不適合可重復或成功的焊接。

還應該注意的是，有時在一個領域發(fā)現的問題可能會暴露另一個領域的弱點或不足。

塑料結構設計的要點

超聲波振幅對焊接的影響

超聲波焊接壓力和觸發(fā)壓力對焊接的影響

讓我們從設備開始。認為在一種應用中產生成功焊接的設備和方法在另一種應用中也能成功是很容易的，而且通常是合乎邏輯的。但這并非普遍適用。在世界范圍內，20kHz 超聲波焊接機是迄今為止使用最廣泛的；由于它們的多功能性，這些焊機可以提供高功率（高達 4000 W）和高振幅輸出，并且它們可以適應各種可用的工具尺寸。對于采購商來說，它們盡力選用了一些比較大功率的超聲波設備，因為它有望在未來的許多應用中使用。

然而，在某些情況下——尤其是對于小而精密的部件——20kHz 設備的高功率、高振幅能力可能證明對某些組件過于“激進”，可能會導致損壞。一種可能的解決方案是降低輸入幅度，但如果施加的幅度低于所焊接聚合物的推薦水平，則這將不起作用。

因此選用較高頻率的設備產生較低幅度的輸出，但通過以較高頻率共振來進行補償。因此，在將超聲波能量應用于零件時，高頻焊工被認為“更溫和”。電子組件，尤其是那些帶有精密定時器/振蕩器、（晶振）和位于印刷電路板上的貼片電子組件，超聲波不易產生破壞作用。

另一個潛在因素是設備故障。這些很少在沒有發(fā)生警告的情況下發(fā)生。一個明顯的例子是焊機操作時產生的噪音的變化或增加。有經驗的操作員和維護人員通常會適應這種微妙的諧波波動，并應始終與主管溝通這些變化。如果發(fā)現有異常響聲，請及時處理檢查。

同樣，較新的超聲波設備允許用戶執(zhí)行交互式診斷功能檢查，如果正確解釋并與其他警告標志（如噪聲）結合使用，可以在令人擔憂的趨勢成為主要問題之前提醒用戶。電源通過先進的通信協議可以獲得“焊接圖結果”和“頻率掃描”等數據，這些數據可以與設備新的、最近維修過的或已知性能達到標準時獲得的基線數據進行比較。

有了這些信息，有經驗的用戶就可以集中精力進行故障排除，并確定是否需要采取其他措施或進一步監(jiān)控。一旦確定了一個關注的領域，用已知的良好組件替換可疑組件是積極識別需要維修或糾正措施的焊接設備的一種方法。有用的診斷數據示例包括：

?焊接圖表數據。這有助于查明好零件和可疑零件之間的差異。如圖 3 所示，焊接圖表上顯示的數據包括幅度、電流消耗、功率、頻率和相位。幅度、相位、頻率和電流變化可能表明電源或堆棧存在問題。功率消耗的差異可能表明工藝變化（例如焊接壓力）、零件幾何形狀變化（公差，尤其是在連接區(qū)域可能發(fā)生了變化）或堆棧組件問題（喇叭或轉換器開始出現故障） .

?喇叭診斷掃描。這可以確定喇叭是否消耗更多功率（顯示為在空氣中運行所需的瓦數增加）。增加的功率消耗可能表明喇叭中正在形成裂縫。這種裂縫有時是內部的，因此肉眼并不總是可見的。

?隨機數據。與已知的良好數據相比，出現混亂的數據可能表明轉換器、喇叭或射頻電纜中存在故障，如圖 4 所示。

工藝參數和材料
仔細控制和記錄工藝參數是另一個不容忽視的領域。醫(yī)療和汽車零部件生產商知道這一點并遵循嚴格的程序，這些程序通常由 FDA 等監(jiān)管機構強制執(zhí)行，從而在使用超聲波焊接時取得了很大的成功。

不幸的是，其他產品（例如玩具或一次性產品）的加工商通常在不那么嚴格的要求下運作，并且實施的過程控制要弱得多。在此類情況下，操作員通常會根據不斷變化的零件或生產條件不斷調整設置。雖然這種方法可能會導致令人滿意的生產，但當過程參數頻繁變化時，發(fā)生的任何問題都難以診斷，尤其是遠程診斷。例如，最近的參數更改是由設備問題還是零件組成或質量的變化引起的？

通常，當此類應用需要幫助時，超聲波焊接應用工程師在詢問有關零件的一些基本問題（材料、接頭設計、測試要求和當前機器設置）后，可以指導客戶找到合適的解決方案。如果可以使用生產零件直接在機器上完成故障排除，則此方法特別有用。圖 5 顯示了故障排除/參數調整過程的概述。

與材料相關的問題是生產中出現不一致或問題的常見原因。如以下示例中所述，即使材料的微小變化也會對焊接或生產質量產生巨大影響：

?聚合物變化。隨著價格的波動，加工商出于經濟原因想要在相似的聚合物之間進行轉換是很常見的。但是，在進行任何更改之前咨詢超聲波焊接應用專家是明智之舉。

一個常見但可能帶來麻煩的變化的一個例子是從易于焊接的無定形材料（如 ABS）轉變?yōu)楦y焊接的半結晶聚合物（如 PP）。為了成功焊接，ABS需要比PP（90-120微米）更低的超聲波堆棧輸出（在20 kHz時為30-70微米）。如果這種變化導致零件沒有以前的強度，或者焊接時間更長，或者如果焊接對敏感的裝配表面/組件造成損壞，則問題可能是缺乏超聲波堆棧輸出。有必要檢查堆棧組件，特別是喇叭和助推器，以確定對任一組件的改進是否能讓
應用程序有效地焊接新聚合物并使應用程序恢復到“正?！钡某晒Ψ秶?。

?再生料含量高。再研磨的熱塑性塑料雖然能夠多次熔化和重整，但在每次后續(xù)熔化時，其物理性能都會發(fā)生一定程度的退化。過多重新研磨材料的累積效應可能導致零件無法滿足規(guī)格要求。因此，Branson建議在要進行超聲波焊接的零件中使用的再生料不要超過10％。在需要符合嚴格測試和驗收標準的特定應用中，生產商應強烈考慮對生產材料進行定期分析，以不斷驗證進入成品零件的材料質量。

?填料含量。通常，填料對于確保部件強度和耐用性至關重要。然而，零件中不同類型和百分比的填料會影響塑料連接工藝的成功。布蘭森建議填料含量保持在 30% 以下。接合含有較高比例填料（尤其是長纖維）的部件有時會導致填料在焊接接頭處積聚，從而降低焊接強度。

另一個問題是磨料填料。一些賦予附加強度或韌性的填料，包括碳酸鈣、二氧化硅和滑石，也可能會磨損工具的接觸表面。磨損零件長時間暴露于工具表面會導致磨損，從而導致零件外觀損壞和向零件連接表面?zhèn)鬟f的能量不足。

建議更換為具有耐磨表面（例如碳化物或氮化鈦）的鈦喇叭。對于夾具，建議使用鋼或硬化不銹鋼。

零件配置和故障排除
如果您嘗試焊接的零件設計不當，讓其他一切（設備、材料和工藝）正確無誤并沒有多大意義。但是，與其嘗試在此處查看良好零件設計的所有細節(jié)，不如讓我們關注一些導致零件設計不當的基本原因：

?缺乏明確定義的項目或應用目標。當測試和驗收有一個“移動目標”時，許多應用項目都會遇到困難。例如，應用程序是否需要跌落測試？壓力測試？如果是這樣，在什么值？這些值對于有效進行密封接頭的設計至關重要。一般來說，如果設計要順利進行，驗收標準需要提前考慮和決策。

?對特定應用的最佳接頭類型缺乏了解。當主要設計師可能對塑料連接工藝知之甚少，在推進項目時卻發(fā)現做出了錯誤的決定并且零件接頭和焊接特性不正確時，通常會出現次優(yōu)接頭設計經過考慮的。

通常，只有在已經進行了大量投資（模具完成、零件生產和初始焊接試驗）之后才會得出這樣的結論。再次強調，應在項目早期確定與零件和焊接相關的關鍵考慮因素（焊縫控制和密封類型——氣密、結構或兩者）。在項目的初始階段與超聲波焊接工程師合作有助于確定關鍵零件標準，更好地教育設計師，并有助于最大限度地減少或至少闡明可能的風險。

? 模具磨損，通常由使用磨料聚合物或填料引起，隨著時間的推移，可能會導致零件在尺寸和尺寸上與早期驗證的零件大不相同。因此，主要的連接特征，例如能量導向器或剪切干涉接頭，不再符合規(guī)范。零件輪廓可能不再適合工具組。焊接結果可能變得越來越不一致。此問題的補救措施包括重新加工現有模具或生產新模具。

最終，超聲波焊接部件的問題可能會從許多來源突然出現。一旦懷疑有問題，立即致電當地的超聲波焊接設備代表可以獲得診斷和補救技巧，通常通過電話或電子郵件完成，可以幫助您識別、最小化或解決潛在的生產問題。為了減少故障排除的需要，請遵循以下最佳實踐：

? 在您的項目設計早期與您的超聲波焊接設備供應商的應用工程專家合作（或重新設計，如果考慮到重大的材料、形式或功能變化）。

?始終保留備用的，具有生產質量的組件，特別是對于那些生產中斷會引起重大運營或財務問題的關鍵應用程序而言。生產備件是解決連接問題的重要輔助工具，并且在供應緊張的情況下，可以將生產持續(xù)進行，同時將停機時間降至最低。

?利用培訓機會，使您能夠掌握您正在使用的塑料連接技術。例如，布蘭森在各種公司地點和客戶地點舉辦研討會，提供必要的實踐培訓和技術援助，讓您的超聲波工藝“冠軍”充分了解最新技術，并準備好根據您的需要培訓和維護技術。設施。設計工程師、質量工程師、設備維護人員和運營/生產人員都可以從培訓課程的投入中獲益。

50 年來，塑料的超聲波焊接一直依賴于一種簡單的“按時間焊接”的過程控制方法（見圖 1）。設置計時器既簡單又可靠，但有很大的缺陷。特別是，它是一個沒有過程反饋的開環(huán)系統。這意味著它無法對零件、電力或焊接系統功能的變化進行自我監(jiān)控和自我糾正。

對產品質量和超聲波在更關鍵應用（例如，醫(yī)療和汽車）中的使用的加強關注引起了對新一代焊接過程控制的關注。這些提供了廣泛的新功能，但最受關注的是不僅可以按時間進行焊接，還可以按總能量、坍塌距離和絕對距離進行焊接的能力。

無論你的超聲波機器有多么先進，擁有多少功能，首要原因就是獲得更一致的焊縫。他指出，特定部件對各種焊接方法的反應不同。在汽車、醫(yī)療和其他要

求嚴苛的行業(yè)，使用先進的控制對于滿足嚴格的質量要求至關重要。能夠在焊接方法之間進行切換的功能有助于進行故障排除。

高級控制確實成本更高。供應商估計包含高級控制的設備的價格比具有基本定時器控制的設備高 50% 到 200%。為了保持成本一致，設備供應商與客戶一對一合作，定制控制以提供適當的復雜程度。

但懷疑者懷疑先進控制的好處是否超過了額外成本。精簡、基于時間的焊接控制的供應商表示，昂貴的高級控制需要訓練有素的操作員，因此可以保持未使用狀態(tài)，這意味著投資浪費。甚至這些控制的支持者也承認，許多處理器不知道如何利用高級控制功能。

時間控制

在按時間焊接方法中，焊頭下降，接觸零件，并建立觸發(fā)力。國產超聲波焊接機大多采用單純時間控制模式進行控制，但具有非常高的性價比。在這一點上，超聲波焊接開始并在被認為必要的指定時間內保持，以確保正確連接。預設時間過去后，超聲波活動結束，并且焊頭縮回。保持時間可以用類似的方式控制。

大多數超聲波焊接應用中仍使用按時焊接，但它通常無法滿足嚴格的質量和責任標準。一個問題是確定達到給定焊接強度所需的確切時間。當零件包括復雜的幾何形狀或由能量吸收特性難以預測的陌生材料或混合物制成時，這尤其困難。

“按時焊接忽略了零件不同的事實，”一位行業(yè)專家說，這種基本方法無法針對在多腔工具的不同腔中制造的零件的變化或零件表面狀況的變化進行調整。這些和其他因素往往會破壞焊接時間和焊接完整性之間的任何相關性。作為一個開環(huán)系統，按時焊接也無法驗證焊接精度或診斷問題。

幸運的是，1990 年代轉向基于微處理器的控制創(chuàng)造了新的可能性。焊接周期不僅可以按時間設置，還可以按總能量、相對塌陷距離和絕對距離設置。這意味著第一次可以抵消或至少最小化零件差異的影響。

通過允許用戶以多種焊接模式進行操作，先進的控制功能使機器（而不是零件變化）控制了獲得高完整性焊接的要求?！?當使用替代閉環(huán)焊接方法時，允許實際焊接時間“浮動”。在許多應用中（通常是由于不明顯的原因），事實證明，替代焊接方法在創(chuàng)建牢固、一致的焊縫方面比按時間焊接更好。

替代方案如何運作

按時間焊接的缺陷促使設備供應商開發(fā)替代方案，其中一種是按能量焊接（圖 2）。在這種方法中，焊接進行到一定水平的總能量（焦耳）被焊接接頭吸收的程度。由于能量等于功率（瓦特）乘以時間，因此控制器的作用之一是提高或降低焊接時間，以確保焊接處吸收的能量保持恒定。

然而，事實證明，在保證焊接完整性方面，將一定水平的總能量放入焊縫并不比時間好。功率輸入的波動不可避免地會影響超聲波焊接系統，盡管供應商已經設計了糾正裝置以將其最小化。更重要的是，杜肯公司（Dukane Corp.）的研究表明，在整個焊接系統（喇叭，換能器和固定裝置）上發(fā)生了大而不規(guī)則的能量損失。此外，不可能容易地校正這些變量。然而，雖然恒定能量輸入和一致焊接之間的相關性是微弱的，但有時逐能量焊接是有效的。

Sonobond Ultrasonics 的副總裁 Kyle Kimbro 引用了一個醫(yī)療一次性用品成型商的例子，該公司很難將模具連接到壁厚不一致的管道上。Kimbro 說，事實證明，能量焊接在處理管材的各種變化和彎曲輪廓方面最為有效。

最近，隨著能夠進行高精度距離測量的設備的出現，按距離焊接方法變得可行。這些稱為線性編碼器，現在通常由供應商集成到他們的高級控制中。這使得距離成為許多應用中的首選方法。

在按塌陷距離進行焊接時，線性編碼器記錄焊頭與零件之間的接觸，并將其作為測量焊接距離的參考點（圖 3）。設置觸發(fā)力后，只要焊頭行進預設距離，就會啟動超聲波焊接。這應該意味著無論零件如何變化，每個循環(huán)都會導致相同的焊接深度、相同的熔體體積和相同的塌陷距離。根據需要，允許焊接時間變化或“浮動”。相信這種方法產生準確且可重復的焊接完整性。

通過塌陷距離進行焊接是“首選方法”，稱它本身就可以完全補償零件的變化。他的公司圍繞這種方法設計了最新的控件，稱為“深度RPN”（參考點數字）控件。

最后一種主要的焊接方法是絕對距離焊接。同樣，當喇叭接觸零件時，這使用線性編碼器來創(chuàng)建參考點。但是在這種情況下，焊接會繼續(xù)進行，直到編碼器檢測到已達到完全組裝零件的特定尺寸（通常是高度）為止。對于所有焊接零件，結果是相同的高度（或其他尺寸）。

價值觀念的沖突

供應商對當今復雜的超聲波焊接控制的評估相互矛盾。許多供應商對此充滿熱情，但其他人認為復雜的控制，包括那些以多種模式運行的控制，太不可靠、難以使用，而且最重要的是成本高昂，無法證明在少數高端市場之外使用它們是合理的。

“在塑料連接 22 年中，我很少看到無法使用基于時間的控制進行焊接的應用，”一位專家說。該公司是 Branson Ultrasonics 制造的 S8400 和 S8700 型焊機的獨家經銷商，這些焊機僅配備了按時焊接控制。

在某些情況下，高端控制是合理的，例如 OEM 需要關鍵或受監(jiān)管（例如醫(yī)療）部件的詳細 SPC 數據。但他表示，在絕大多數應用中，基于時間的控制是最佳選擇。“如果您想焊接聚苯乙烯玩具、密封 PVC 翻蓋或將螺紋插入件放入商用機器中，那么您無法擊敗 [按時間焊接] 設備，”

在他訪問美國眾多塑料加工車間時，他發(fā)現復雜的超聲波焊接控制通常以基于時間的模式使用，而且它們昂貴的附加功能很少被利用。

他還聲稱，更復雜的控制裝置維修成本更高，并且需要外部技術人員。這些控件的用戶手冊往往很復雜，通常需要對操作員進行培訓才能充分利用新控件，從而進一步增加了成本。

行業(yè)專家一致認為，基本的按時焊接控制可以充分滿足 80% 的潛在超聲波焊接工作。

超聲波焊接仍然是藝術而不是科學。他說，焊接過程的外部因素，例如材料成分，對焊接性能的影響與控制一樣大。鑒于經驗仍然是焊接成功的關鍵，恒波超聲波資深工程師Mr   LI 說他公司經濟高效的 自動頻率控制系統可以滿足80%大多數市場需求。

當然使用先進焊接控制的好處體現在更高的焊接率、更少的廢品率、更低的廢品率，并最終獲得更好的零件質量和更快樂的客戶。這也是沒有任何異議的。

結論：

我們認為，傳統的時間控制模式加上我公司（恒波超聲波的自動頻率及振幅控制系統），完全可以滿足現實85%以上的情況。我們在塑料超聲波焊接實際應用中有著豐富的經驗，長達20年的行業(yè)工作經驗，熱情為你提供超聲波技術咨詢服務。